Threefold Efficiency Enhancement and Narrowed Nanoparticle Size Distribution in Laser Ablation of Gold in Water by GHz-Burst Irradiation

Résumé technique : Amélioration triplée de l'efficacité et distribution de taille de nanoparticules rétrécie lors de l'ablation laser de l'or dans l'eau par irradiation en bursts GHz

Énoncé du problème
L'ablation laser dans les liquides (LAL) est une méthode établie pour synthétiser des nanoparticules sans tensioactifs, offrant des avantages pour la biomédecine, la catalyse et la fabrication additive. Cependant, son évolutivité et sa productivité sont fondamentalement limitées par l'environnement liquide. Les limitations clés incluent :

• Pertes optiques non linéaires : L'auto-focalisation induite par l'effet Kerr et la rupture optique dans le liquide entraînent la formation de plasma, qui absorbe et diffuse le rayonnement incident avant qu'il n'atteigne la cible.
• Redéposition du matériau : Le matériau ablaté peut se redéposer sur la surface de la cible à des échelles de temps sub-nanoseconde en raison de l'inertie du liquide.
• Effet d'ombrage des bulles de cavitation : Des cavités de vapeur se forment environ 1 à 2 ns après l'impact de l'impulsion et persistent pendant plusieurs dizaines à centaines de microsecondes. Ces bulles protègent les impulsions suivantes, réduisant l'apport d'énergie à la cible.
  Les taux de productivité actuels (par exemple, 4 g/h pour l'or) restent nettement inférieurs au potentiel théorique, nécessitant des stratégies pour atténuer ces contraintes physiques intrinsèques sans compromettre la qualité des nanoparticules.

Méthodologie
L'étude examine l'utilisation d'une irradiation en bursts GHz pour façonner temporellement l'intensité de l'impulsion laser. Au lieu d'une seule impulsion ultracourte, l'énergie totale est distribuée dans une séquence de sous-impulsions picosecondes (2 à 25 sous-impulsions) séparées par un délai inter-impulsion de 205 ps (4,88 GHz).

• Système : Une source laser ultrafaste de 1030 nm et 10 ps a été utilisée pour ablater de l'or polycristallin (pureté 99,99 %) dans de l'eau distillée.
• Conception expérimentale : L'ablation a été réalisée à la fois dans l'air et dans l'eau pour isoler les effets spécifiques au liquide. La fluence incidente a été ajustée et le nombre de sous-impulsions ($P$) a été varié.
• Caractérisation :
  • Transmittance : Mesurée pour déterminer le seuil des pertes non linéaires ($\Phi_{NL}$) dans la couche d'eau.
  • Efficacité d'ablation : Calculée comme le volume ablaté par unité d'énergie incidente ($\eta = V_{abl}/E_I$) à l'aide de microscopie confocale.
  • Dynamique de cavitation : L'imagerie pompe-sonde (532 nm, 500 ps) a capturé l'évolution temporelle du rayon et de la durée de vie des bulles de cavitation.
  • Analyse des nanoparticules : Les nanoparticules ont été collectées, stabilisées avec du NaCl et analysées par microscopie électronique en transmission (TEM) pour déterminer la distribution de taille.

Contributions et résultats clés

1. Suppression des pertes non linéaires :
   En distribuant l'énergie de l'impulsion sur plusieurs sous-impulsions, l'intensité de crête dans le liquide est réduite. Cela augmente le seuil de fluence pour les pertes non linéaires ($\Phi_{NL}$) de 9 J/cm² (impulsion unique) à 18 J/cm² pour $P=3$, et élimine efficacement les pertes non linéaires jusqu'à 22 J/cm² pour $P \ge 4$. Cela permet de délivrer une énergie totale plus élevée à la cible sans déclencher de rupture optique dans le liquide.

2. Amélioration triplée de l'efficacité :
   Dans l'eau, l'irradiation en bursts GHz améliore considérablement l'efficacité d'ablation par rapport à l'ablation par impulsion unique.

   • À une fluence incidente de 18 J/cm², l'efficacité maximale pour l'ablation par impulsion unique était d'environ 0,8 µm³/µJ.
   • Pour l'ablation en bursts GHz ($P=5$ à $10$), l'efficacité a culminé à 2,3 µm³/µJ, représentant une augmentation triplée.
   • Ce gain d'efficacité réduit l'énergie spécifique requise pour l'ablation à environ 440 J/mm³, soit une réduction d'un facteur près de 8 par rapport aux références LAL ultrafastes et d'un facteur 2,5 par rapport aux références nanosecondes de 1 ns.
   • Cette amélioration est attribuée à la délivrance d'énergie avant le début de l'ombrage par les bulles de cavitation et à une réduction de la redéposition du matériau. Fait notable, cette efficacité dans l'eau en mode burst correspond à l'efficacité de l'ablation par impulsion unique dans l'air, suggérant l'atténuation des pertes dues au confinement liquide.

3. Dynamique optimisée des bulles de cavitation :
   Crucialement, le gain d'efficacité ne se fait pas au prix de bulles de cavitation plus grandes ou de plus longue durée.

   • Le rayon maximal de la bulle a diminué d'environ 225 µm (impulsion unique) à environ 200 µm ($P=5$).
   • L'effondrement de la bulle primaire s'est produit environ 5 µs plus tôt en mode burst.
   • L'énergie convertie en bulle de cavitation a été réduite d'environ 30 %, indiquant que moins d'énergie est gaspillée dans le chauffage du liquide et la formation de plasma dans le liquide en vrac.
   • L'étude identifie une fenêtre temporelle d'environ 2 ns (le temps d'apparition de la bulle) comme limite critique ; des durées de burst dépassant cette limite (par exemple, $P > 10$) entraînent une réduction de l'efficacité car les sous-impulsions ultérieures rencontrent la bulle en formation.

4. Distribution de taille de nanoparticules rétrécie :
   L'irradiation en bursts améliore la qualité des nanoparticules synthétisées.

   • La distribution de taille est devenue deux fois plus étroite, l'intervalle interquartile passant de 5 nm (impulsion unique) à 2 nm ($P=5$).
   • La fraction de nanoparticules inférieures à 10 nm est passée de 83 % (impulsion unique) à 96 % (burst).
   • Cela est attribué à l'interaction des sous-impulsions ultérieures avec la couche fondue et les nanoparticules secondaires dans la fenêtre de formation sub-nanoseconde, supprimant potentiellement la formation de grosses particules secondaires ou les fragmentant.

5. Robustesse sous irradiation répétée :
   Sous irradiation répétée (10 événements par point avec un délai de 10 s), les modes impulsion unique et burst ont tous deux montré une augmentation de l'efficacité due à la modification de surface (incubation). Cependant, l'avantage relatif du mode burst a été maintenu et légèrement amplifié (le rapport d'efficacité est passé d'environ 3 à environ 3,2), confirmant que le traitement en bursts GHz n'introduit pas d'effets d'incubation préjudiciables.

Importance
L'article démontre que l'ablation en bursts GHz est une stratégie viable pour améliorer simultanément la productivité et la qualité des nanoparticules en LAL. En façonnant temporellement l'impulsion pour délivrer l'énergie dans la fenêtre étroite précédant la formation des bulles de cavitation, la méthode supprime efficacement les pertes non linéaires et la redéposition du matériau sans augmenter l'ombrage par les bulles. Cette approche s'attaque aux contraintes physiques fondamentales de la LAL, offrant une voie vers une synthèse évolutive et à haut rendement de nanoparticules sans tensioactifs avec des distributions de taille étroites. Les résultats suggèrent que l'optimisation de la distribution temporelle de l'intensité est un levier critique pour faire progresser la fabrication de nanoparticules basée sur le laser.